APPUNTI PER LA COSTRUZIONE DI UNA PARABOLA IN RETE
Cenni Onorio I4CIV i4civ.onorio@gmail.com
Premessa
Con questo articolo si descrive la sequenza delle operazioni necessarie per realizzare adeguatamente ed in poco tempo un’ antenna parabolica adatta per le frequenze SHF.
La descrizione ha l’obiettivo di divulgare quelle esperienze che molti OM hanno ma che, per vari motivi, si tramandano solitamente in modo verbale e solamente fra gli “addetti ai lavori”. In questo articolo verrà dato spazio alla tecnica costruttiva trascurando volutamente l’aspetto teorico, per il quale è sempre possibile soddisfare il desiderio di aumentare le proprie conoscenze sia attraverso lo studio di testi tecnici sia attraverso una ricerca sul Web.
Per svolgere l’attività radioamatoriale per la frequenza del 1296 MHz avevo sempre utilizzato antenne Yagi, convinto che un riflettore parabolico fosse troppo pesante, ingombrante e pericoloso se sottoposto alla forza dei venti ma, dopo aver realizzato questa parabola, mi sono dovuto ricredere. Per la sua realizzazione vengono impiegate dodici costole in alluminio, due piccoli dischi sempre di alluminio fissati nel centro ed una rete elettrosaldata a maglie sufficientemente larghe ma comunque adatte alle frequenze di utilizzo. L’utilizzo della rete ci permette di ottenere una bassa resistenza al vento ed un peso decisamente inferiore rispetto ad un disco pieno. Infatti questa parabola è molto leggera perché pesa solamente 7,5 kg mentre l’illuminatore con il tripode 1,25 kg. Inoltre dal punto di vista meccanico risulta piuttosto solida anche se ancora non ho avuto modo di verificare il suo comportamento in presenza di neve o ghiaccio, elementi che potrebbero aumentarne sia il peso che la resistenza al vento.
Così con questa parabola, nei confronti di un sistema composto da quattro antenne Yagi accoppiate, ho aumentato il guadagno teorico passando dai 23,6 dBi ai 25,5 dBi. In più lo specchio parabolico raccoglie meno rumore per effetto di una maggior pulizia dei lobi secondari. Infine la leggerezza della parabola non ha richiesto la necessità di rinforzare i pali di supporto ed il dispositivo di rotazione, potendo tranquillamente riutilizzare tutto quello che giá avevo nel precedente sistema di antenne.
Modalità di calcolo
Il parametro principale per la progettazione e costruzione di una antenna parabola è il diametro del disco (D) il quale, come sappiamo, è quello che determina il guadagno. Più ampia sarà la sua superficie maggiore sarà il suo guadagno riferito ad una determinata frequenza; questo perchè il guadagno di un’antenna parabolica varia al variare della frequenza. Più aumenta la frequenza di lavoro maggiore risulterà il guadagno in decibel e viceversa.
Conoscendo il diametro della parabola si potrà calcolare il fuoco (F), e questo ci permetterà di determinare a sua volta il valore della profondità (C) detta anche bombatura.
Se vogliamo ottenere una parabola con un elevato rendimento dovremo fare in modo che il rapporto F/D non risulti maggiore di 0,4 e minore di 0,37 (valori che definiscono una parabola con bombatura regolare).
Dobbiamo inoltre considerare che il rendimento dello specchio parabolico dipende da diversi parametri, tanto che possono influenzare la sua minore o maggiore resa. Ad esempio puó esserci una non perfetta curvatura parabolica oppure un errore di posizionamento dell’illuminatore nel fuoco con conseguente inadeguata illuminazione dello specchio. Normalmente in una parabola il rendimento non dovrebbe scendere al di sotto del 55%, fino a raggiungere un massimo del 65%. Generalmente si considera un buon risultato poter raggiungere una resa del 60%. Per raggiungere tale resa è necessario che fra DIAMETRO/FUOCO/PROFONDITA’ sussista un preciso rapporto. Tali parametri sono fra di loro legati e variano conseguentemente al variare del valore di uno di loro.
Allo scopo di poter svolgere alcuni semplici calcoli con riferimento a quanto sopra riportato risulta molto pratico l’utilizzo di un foglio elettronico in Excel predisposto da RA3WDK (fig. 1) che potrete scaricare dal sito (http://www.ra3wdk.qrz.ru/antenna.htm).
Una volta fissato il rapporto F/D è sufficiente digitare nei rispettivi campi di colore giallo alcuni valori ed ottenere come risultato i dati che ci interessano. Così, conoscendo il diametro (D) del disco, l’efficienza tipica (rendimento) pari a 0,60 e la frequenza di utilizzo, immediatamente ci verrà mostrato quale sarà la sua esatta profondità (C), la distanza del fuoco (F), l’angolo di apertura che dovrà avere l’illuminatore per una corretta illuminazione del disco oltre alla superficie in mq ed il guadagno in dBi della parabola.
Un semplice esempio pratico consiste nel valutare immediatamente come varia la distanza focale (considerando 180 cm la misura del diametro della parabola) al variare del rapporto F/D. Infatti con un F/D di 0,5 si ha una lunghezza focale di 0,90 m che comporta un sistema di sostegno dell’illuminatore ad aste, disposte fra loro a 120° e più lunghe di quelle che si dovrebbero utilizzare per uno specchio con un F/D di 0,4. Con quest’ultimo rapporto, la lunghezza focale si riduce a 0,72 m e per questo potremo anche evitare l’uso di contrappesi sul retro del disco necessari per controbilanciare il peso in avanti; questo soprattutto nel caso avessimo intenzione di fissare direttamente nel fuoco, oltre che all’illuminatore, anche un piccolo transverter od un preamplificatore.
Per contro i dischi con F/D inferiori a 0,3 chiamati anche focali piatti (il piano focale è coincidente con il piano di apertura) sono molto difficili da illuminare.
La conoscenza di questi essenziali fattori in aggiunta ad alcune valutazioni in merito mi ha permesso di procedere al calcolo ed alla realizzazione di un disco che avesse un rapporto F/D di 0,4 ed un diametro di 180 cm, da utilizzare per le frequenze con lunghezze d’onda di 23 e 13 cm.
Calcolo del profilo
Ricavare le misure ed il grafico della curvatura della parabola è molto semplice mediante l’utilizzo del foglio elettronico Excel; comunque gli stessi risultati si possono ottenere anche tramite una semplice calcolatrice e poi riportare i dati su un foglio di carta millimetrata e disegnarne il profilo. Per entrambe le soluzioni l’equazione da usare è la seguente:
X(i)=Y2(i) /4F
dove F è la distanza focale (in cm) e X(i) assume i valori (in cm) di X(1), X(2), …X(n), che determinano la profondità della curva nei confronti delle ordinate (in cm) di Y(1), Y(2), …Y(n), con intervalli da scegliere in base alla precisione che si vuole ottenere. Il calcolo delle posizioni di X(i) ogni 5 cm di Y(i) consente una discreta precisione compatibilmente con il tipo di lavorazione artigianale che andremo ad eseguire.
I valori di X(1) fino a X(18) che abbiamo ottenuto partendo con Y(1) da 5 cm fino a 90 cm Y(18) si riferiscono al profilo di metà parabola poiché l’altra metà risulta speculare e sono i seguenti:
|
X1 |
X2 |
X3 |
X4 |
X5 |
X6 |
X7 |
X8 |
X9 |
X10 |
X11 |
X12 |
X13 |
X14 |
X5 |
X16 |
X17 |
X18 |
|
0,087 |
0,35 |
0,78 |
1,39 |
2,17 |
3,12 |
4,25 |
5,55 |
7,03 |
8,68 |
10,05 |
12,5 |
14,67 |
17,01 |
19,53 |
22,22 |
25,09 |
28,12 |
|
Y1 |
Y2 |
Y3 |
Y4 |
Y5 |
Y6 |
Y7 |
Y8 |
Y9 |
Y10 |
Y11 |
Y12 |
Y13 |
Y14 |
Y15 |
Y16 |
Y17 |
Y18 |
|
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
35 |
40 |
45 |
50 |
55 |
60 |
65 |
70 |
75 |
80 |
85 |
90 |
Di seguito potremo procedere a disegnare lo sviluppo del profilo su di una tavola di legno (foto1) della lunghezza tale da contenere la mezza parabola cioè 100 cm, e di larghezza tanto quanto la sua profondità C cioè 40 cm. In questo modo avremo la “dima” che si utilizzerà come riferimento per sagomare esattamente la curvatura della parabola. Successivamente sul disegno ed in ogni punto di incrocio fra X(1) ed Y(1) fino a X(18) con Y(18), dovremo piantare dei chiodi lunghi 35 mm in maniera tale che quando andremo ad accostare la nostra costola, perfettamente sagomata, ogni chiodo dovrà poggiare esattamente sul profilo della stessa.
Materiale occorrente
n.12 costole profilato a C di alluminio 15 x 13,5 mm lunghe 950 mm
n. 2 piatti di alluminio diametro 140 mm spessore 3 mm per i fondelli
m. 6 profilato piatto 20 x 2 mm per la circonferenza esterna
m. 6 profilato piatto 20 x 2 mm da usare per fissaggio rete sulla circonferenza esterna
n.12 pezzi di profilato piatto 15 x 2 mm lunghi 350 mm da usare per la circonferenza intermedia
n.12 pezzi di profilato piatto 15 x 2 mm lunghi 215 mm da usare per la circonferenza più piccola
n.12 pezzi di profilato piatto 15 x 2 mm lunghi 900 mm da usare per fissaggio rete sulle costole
m. 4 rete elettrosaldata zincata a caldo con fori 6 x 6 mm dalla quale ricavare n. 12 spicchi
Costruzione
La corretta forma della parabola si ottiene battendo, con un mazzuolo, le costole su di una forma di legno fino a far combaciare perfettamente la curvatura ottenuta con la sagoma disegnata sulla tavola. Una volta preparate le 12 costole, queste dovranno essere tagliare di misura tenendo conto che verso l’esterno si dovranno realizzare due “orecchiette” piegate a 90° e forate con punta da 3 mm sulle quali si dovrà fissare il piatto di alluminio 20 x 2 mm che formerà la circonferenza esterna. Va precisato che per avere una corretta lunghezza e sagoma delle costole, queste sul lato opposto delle “orecchiette” dovranno essere accorciate di 25 mm. Questo perché, essendo le costole disposte a raggiera ai bordi di un dischetto di alluminio del diametro di 50 mm che funge da spessore, risulterebbero più lunghe di 25 mm. (foto 2)
Poi occorre disegnare sul piatto di alluminio da 140 mm i sei diametri che saranno i riferimenti su cui andranno fissate le 12 costole. Successivamente faremo 12 fori da 5 mm distanti 20 mm dal bordo del piatto e foreremo ogni costola a 20 mm dal suo bordo; inoltre sul piatto posteriore dovremo praticare quattro fori del diametro 8 mm, attraverso i quali quattro bulloni da 100 x 8 mm MA con i relativi morsetti serviranno come supporti di fissaggio per l’attacco al mast.
Prima di assemblare il tutto in modo definitivo, ė necessario controllare che gli angoli formati dai dodici raggi siano uguali al fine di ottenere una struttura perfettamente simmetrica e che abbia le estremità tutte alla stessa distanza. A questo punto potremo sovrapporre come “un sandwich” i due dischi sulle costole precedentemente forate e fissarli stabilmente con i 12 bulloni da 35 x 5 mm, ciascuno dei quali dovrà attraversare la propria costola. Una volta serrati i due dischi con i rispettivi bulloni e dadi in acciaio INOX, si potrà ottenere già una discreta stabilità di questa struttura (foto n.3)
.
Una volta fissate le costole sui piatti centrali procederemo sulla circonferenza esterna utilizzando del piatto di alluminio 20 x 2 mm e, fatti i fori in corrispondenza delle orecchiette di ciascuna costola, le bloccheremo alla circonferenza con l’impiego di rivetti a strappo; completeremo poi questa parte di lavoro fissando le sagome intermedie che andranno a formare le due circonferenze intermedie, le quali saranno anch’esse fissate alle costole con l’impiego di rivetti. Quindi si dovrà controllare il profilo parabolico. A questo scopo utilizzeremo una costola “campione” preparata a parte che faremo girare provvisoriamente fissandola sul centro della parabola. Infine si dovrà fissare la rete zincata che andrà opportunamente tagliata a spicchi triangolari. La rete va sagomata e tenuta ferma sulle costole con del profilato piatto di alluminio 15 x 2mm e lungo 900 mm sovrapposto su ogni costola, ed in corrispondenza della circonferenza esterna con del profilato piatto di alluminio 20 x 2 mm che andrà sovrapposto sulle corrispondenti superfici e fissate con la solita rivettatura; in questo modo tutta la superficie dello specchio sarà elettricamente connessa oltre a fornire un ulteriormente irrigidimento della struttura (foto n.4).
Ho utilizzato una rete elettrosaldata zincata a caldo con maglie quadrate di 6 x 6 mm. Le dimensioni dei fori delle maglie, considerando il limite di 1/10 della lunghezza d’onda per contenere le perdite inferiori al decibel, ci consentono di utilizzare la suddetta parabola sia per i 23 cm che per i 13 cm.
Giunti a questo punto la parabola è terminata e maneggiandola potremo verificare quanto sia resistente e compatta.
Infine non resta che fissare sui bordi della circonferenza esterna le tre aste, disposte a 120°, che formeranno il tripode di supporto per l’illuminatore. I punti di congiunzione, all’altra estremità, delle aste andranno anche essi posizionati a 120° e fissati ad un collare di alluminio. Questo collare, con un diametro regolabile, permette di stingere assieme ad una fascetta di acciaio INOX, un cilindro in PVC e conseguentemente bloccare al suo interno l’illuminatore della parabola. (foto n.5)
Illuminatore
Per l’illuminatore ho realizzato il progetto di OM6AA che offre chiare e precise informazioni per la sua costruzione. Queste, si possono reperire al link http://www.om6aa.eu/Loop_Feed_with_enhanced_performance.pdf
oppure sulla rivista DUBUS n. 2/2008 pagg. 21-41. Tale illuminatore permette di utilizzare le frequenze dei 23 cm e 13 cm poichè dispone di due loop separati e risonanti per ciascuna frequenza.
Il progetto originale prevede di utilizzare un massello di alluminio dal quale ricavare, mediante tornitura o fresatura, il riflettore cilindrico provvisto di fondo. Io l’ho realizzato in maniera diversa e più artigianale dato che ho trovato in un supermercato un pentolino di alluminio con le stesse dimensioni interne e lo stesso spessore del riflettore che dovevo realizzare, ma di maggior profondità. Così con un seghetto ho tagliato il pentolino ricavandone due cilindri; uno con il fondo e l’altro senza. Avendo quindi a disposizione due cilindri, ho pensato di realizzare due illuminatori. Per il cilindro aperto ho fatto tagliare con il laser un dischetto di alluminio del diametro di 140 mm e di spessore di 3 mm che poi ho fissato come base per costruire il suo stesso fondo. Realizzati in questo modo i due riflettori ho provveduto ad asportare, all’interno dei cilindri, la vernice protettiva e riscoprire l’alluminio e poi renderlo lucido con una paglietta abrasiva. Infine ho completato la costruzione dei due illuminatori fissando i loop sui rispettivi supporti e relativi connettori N fissati sul retro. Ho prestato molta cura nella realizzazione meccanica, rispettando le misure con una tolleranza del decimo di millimetro, a causa delle alte frequenze in gioco (foto n.7).
Per verificare il corretto funzionamento degli illuminatori ho partecipato alla manifestazione “Due giorni del microondista” che si è svolta a Bagnara di Romagna il 12 e 13 aprile 2014 portando in quell’occasione i due oggetti per farli testare sui banchi di misura. Le verifiche strumentali hanno mostrato che entrambi gli illuminatori erano in risonanza ad una frequenza più alta sia in 23 cm che in 13 cm. In accordo con alcuni amici, che erano presenti alle prove, si è deciso con saldatore alla mano di allungare i loop. Dopo alcuni tentativi i due loop per i 23 cm sono stati tarati esattamente sulla frequenza di utilizzo. Così per i 1296 MHz abbiamo riscontrato i valori di return-loss di -27 dB per uno e -21 dB per l’altro (foto n.8).
Mentre per i due loop dei 13 cm, dopo alcuni tentativi di messa a punto, si è trovato che uno era più alto e l’altro più basso di frequenza rispetto a quella di utilizzo; così ho deciso di completare il lavoro di messa a punto a casa scalando opportunamente i valori delle misure riscontrate. Dal progetto originale ho dovuto allungare il loop dei 23 cm di 6 mm e di 7mm per quello dei 13 cm.
Auguro buon lavoro e buoni collegamenti a chi voglia accingersi alla realizzazione di questo progetto.
i4civ.onorio@gmail.com
La presente descrizione è stata pubblicata su Radio Kit Elettronica del mese di giugno dell'anno 2015 a pagina 17.
